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Qu'est-ce que Facteur de bruit (NF) ?

Indicateur de la dégradation du rapport signal sur bruit (S/N) qu'un circuit, comme un amplificateur ou un récepteur, provoque par son propre bruit. Le rapport entre le S/N d'entrée et le S/N de sortie (facteur de bruit linéaire F), exprimé en dB, est le facteur de bruit NF. Il est défini en prenant pour référence le bruit thermique à 290 K. La valeur d'une chaîne de circuits en cascade se calcule par la formule de Friis et dépend surtout du facteur de bruit et du gain du premier étage.

Nom japonais: 雑音指数(NF)

« Facteur de bruit (NF) » apparaît dans 3 questions d'entraînement réparties sur 1 thèmes, dont Bases des communications sans fil.

Domaine: Bases des communications sans fil

Définition et température de bruit

Le facteur de bruit linéaire F est le rapport entre le S/N d'entrée et le S/N de sortie, défini en prenant comme bruit d'entrée le bruit thermique à 290 K. Pour un circuit idéal sans bruit, F = 1 (0 dB), et NF = 10·log₁₀ F. On peut aussi exprimer la même performance par une température qui ramène le bruit du circuit à l'entrée : la température équivalente de bruit vaut Te = 290 × (F − 1) K. Par exemple, un NF de 1 dB correspond à environ 75 K et un NF de 3 dB à environ 290 K ; dans le domaine des très faibles bruits, comme les récepteurs de télécommunications par satellite, on utilise souvent la température de bruit.

Formule de Friis

Si l'on fait suivre un circuit de facteur de bruit F1 et de gain G1 d'un circuit de facteur de bruit F2 et de gain G2, puis d'un circuit de facteur de bruit F3, le facteur de bruit global vaut F = F1 + (F2 − 1)/G1 + (F3 − 1)/(G1·G2) + … (toutes les grandeurs en valeurs linéaires). Le bruit des étages suivants est divisé par le gain des étages qui les précèdent ; il est donc essentiel de placer en premier étage un LNA à faible facteur de bruit et à gain élevé. À l'inverse, les pertes (L dB) d'un câble ou d'un filtre placé entre l'antenne et le LNA dégradent directement le facteur de bruit de la même valeur.

Lien avec les composants à semi-conducteurs

Le facteur de bruit d'un LNA est déterminé par le bruit thermique et le bruit de grenaille des transistors, ainsi que par les résistances de grille ou de base, etc. Pour les applications qui exigent un facteur de bruit particulièrement faible à haute fréquence, on utilise depuis longtemps des HEMT en GaAs ou en InP, où la mobilité des électrons est élevée. Par ailleurs, les LNA en CMOS fortement miniaturisé offrent désormais des performances suffisantes jusqu'à quelques GHz pour la téléphonie mobile et les réseaux locaux sans fil, et sont intégrés aux émetteurs-récepteurs.

S'entraîner : questions sur Facteur de bruit (NF)

Le premier étage d'un récepteur est un LNA de facteur de bruit 1,5 dB et de gain 15 dB, suivi d'un circuit de facteur de bruit 10 dB. Quelle valeur est la plus proche du facteur de bruit de l'ensemble des deux étages ?

  1. A1,5 dB
  2. B2,3 dB
  3. C11,5 dB
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Réponse : B. 2,3 dB

Le facteur de bruit de circuits en cascade se calcule par la formule de Friis F = F1 + (F2 − 1)/G1, avec F (facteur de bruit) et G (gain) en valeurs linéaires. F1 = 10^0,15 ≈ 1,41, F2 = 10 et G1 = 10^1,5 ≈ 31,6, donc F ≈ 1,41 + 9/31,6 ≈ 1,70, soit 10·log₁₀(1,70) ≈ 2,3 dB. Le bruit des étages suivants est divisé par le gain du premier étage : plus ce gain est grand, plus leur effet est faible. C'est pourquoi les performances en bruit d'un récepteur dépendent surtout du LNA du premier étage.

La densité de puissance du bruit thermique à 290 K est de −174 dBm/Hz. Pour un récepteur de largeur de bande 1 MHz et de facteur de bruit 6 dB, dont la démodulation exige un S/N de 10 dB, quelle valeur est la plus proche de la sensibilité (puissance minimale du signal pouvant être reçue) ?

  1. A−114 dBm
  2. B−108 dBm
  3. C−98 dBm
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Réponse : C. −98 dBm

La puissance du bruit thermique dans une largeur de bande de 1 MHz vaut −174 + 10·log₁₀(10⁶) = −174 + 60 = −114 dBm. En considérant que le bruit augmente de la valeur du facteur de bruit du récepteur, la puissance de bruit ramenée à l'entrée est de −114 + 6 = −108 dBm. Il faut un signal supérieur de 10 dB (S/N) à ce bruit ; la sensibilité vaut donc −108 + 10 = −98 dBm. Réduire la largeur de bande, le facteur de bruit ou le S/N nécessaire améliore la sensibilité (valeur plus faible).

Questions fréquentes

Que signifie un facteur de bruit de 3 dB ?

Cela signifie que le S/N se dégrade de 3 dB (environ de moitié) à la traversée du circuit. Ramené à l'entrée, cela revient à dire que le circuit ajoute un bruit égal au bruit thermique d'entrée. Si le facteur de bruit d'un récepteur diminue de 3 dB, sa sensibilité s'améliore de 3 dB.

Les pertes d'un mélangeur ou d'un filtre influent-elles aussi sur le facteur de bruit ?

Oui. Le facteur de bruit d'une perte passive adaptée (filtre ou câble) est à peu près égal à cette perte en dB. Placée avant le LNA, elle s'ajoute telle quelle au facteur de bruit global. Placée après le LNA, son effet est divisé par le gain du LNA selon la formule de Friis et devient faible.

« Facteur de bruit (NF) » dans les explications

Questions mentionnant « Facteur de bruit (NF) » (3)

  1. Le premier étage d'un récepteur est un LNA de facteur de bruit 1,5 dB et de gain 15 dB, suivi d'un circuit de facteur de bruit 10 dB. Quelle valeur est la plus proche du facteur de bruit de l'ensemble des deux étages ?
  2. La densité de puissance du bruit thermique à 290 K est de −174 dBm/Hz. Pour un récepteur de largeur de bande 1 MHz et de facteur de bruit 6 dB, dont la démodulation exige un S/N de 10 dB, quelle valeur est la plus proche de la sensibilité (puissance minimale du signal pouvant être reçue) ?
  3. Dans un récepteur radio, quel circuit, placé juste après l'antenne, amplifie le signal reçu très faible en y ajoutant le moins de bruit possible ?

Termes associés

Bruit thermique (bruit de Johnson) Affaiblissement en espace libre (free-space path loss) Bilan de liaison (link budget) BLE (Bluetooth Low Energy) Fading (évanouissement du signal) Formation de faisceau (beamforming) LPWA (Low Power Wide Area) MIMO (entrées multiples, sorties multiples) NFC (communication en champ proche) OFDM (multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence)

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